JP6792244B2 - 位置検知装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、認知症高齢者の屋外徘徊や所在不明となった幼児の位置を介護者、保護者がスマートフォンなどを利用して検知することができる位置検知装置に関する。

高齢者が急増し、また幼児が巻き込まれる事件が多発する我が国においては、認知症徘徊者や幼児に対する見守り負担が大きな社会問題となっている。
そこで、認知症高齢者や幼児に発信装置を携帯させ、居場所を特定できる位置検知システムが開発されている。

特許文献１には、徘徊者の手首に装着されるリストバンド式の無線通信装置が記載されている。
特許文献２には、小型通信機用の電源として有用な回路基板フィルム上に電子部品を面実装することが記載されている。
特許文献３には、フレキシブルな絶縁材料で製造された基板上にＲＦＩＤタグの集積回路にアンテナの導電性パターンを接続し、電池用のスペーサと一体化したＲＦＩＤタグが記載されている。

特開２０１６−５４４６６号公報 特開平６−３１０１６７号公報 特開２００４−３３６２４０号公報

特許文献１の無線通信装置では、通信装置を内蔵する筐体を手首に取り付ける必要があるため、認知症高齢者などの見守り対象者では、違和感があるため装着を拒否する場合もあり、介護者にとっても、装着、取り外しに大きな負担を要している。
そこで、特許文献２、３に示されるようなフレキシブル性のある基板を用いた通信装置を見守り対象者に貼付することも考えられる。しかし、これらの通信装置では、基板上にＩＣチップ、電池要素、アンテナを個別に実装し、電池要素と電気的な接続を行う必要がある。

このため、デバイスの大型化、製造工数、コストの増大を招くばかりでなく、装着時に違和感を与えるおそれもあり、介護者にとって負担になることが予想される。
また、介護者自身が通信装置からの電波を減衰させてしまうため、特に２.４５ＧＨｚ帯以上の周波数を用いるＢＬＥ等では、受信装置との位置関係によって受信精度が大きく悪化するため、正確な位置特定が不可能になる可能性もある。
さらに、フレキシブル性のある基板では、見守り対象者の身体の動きに応じて負荷を受け、折り曲げが繰り返し発生するため、機械的に脆弱な電池要素との接続点が折り曲げ疲労により断裂し、通信要素としての機能が喪失されるケースも予想される。

そこで本発明の目的は、見守り対象者、介護者の双方にとって、位置検知装置の装着が負担にならないよう、必要最小限の面積で各素子の搭載を可能とし、さらに十分なフレキシブル性、耐折り曲げ特性を確保して、見守り対象者が必ず身に付ける下着などにも装着可能とするとともに、受信装置に対する位置関係によっても無線の減衰を最小限にとどめることができる位置検知装置を実現することにある。

そこで本発明では、フレキシブルシート状電池を基板とし、その電池包装材の表面にＢＬＥモジュール、印刷アンテナを実装することで、アンテナ、送信用チップと蓄電池の一体化を可能にすることで、下着などへの装着も可能にするとともに、フレキシブルシート状電池の包装材自体が有する電波に対するシールド特性を利用することで、人体への電波の照射を抑制し、空間方向への放射を増大させることで、確実な位置検出を実現する。

より具体的には、本発明の位置検知装置においては、電波反射特性を有する包装材により被覆されたフレキシブルシート状電池を基板として、包装材表面に送信用チップを実装し、包装材表面の内方において屈曲性を有するアンテナを形成し、フレキシブルシート状電池の電極と送信用チップ、及び、送信用チップとアンテナを、屈曲性を有する配線により電気的に接続し、包装材の裏面を人体側装着面とした。

本発明によれば、必要最小限の面積で、十分なフレキシブル性、耐折り曲げ特性を確保することができるので、下着などへの装着も可能である。
しかも、人体による無線の減衰を最小限にとどめることができるので、確実な位置検知が可能となる。

図１は、フレキシブルシート状電池の一例を示す図である。 図２は、導電性ペーストで印刷したアンテナのパターン例を示す図である。 図３は、フレキシブルシート状電池におけるアンテナの配置を示す図である。 図４は、導電性ペーストで印刷したアンテナのパターン例を示す図である。 図５は、本実施例の電波シールド性に関する検証結果を示す図である。

本発明は、主として、フレキシブルシート状電池、その表面に搭載される位置検出用電波送受信用チップ（市販品）、アンテナ、そしてこれらを電気的に接続する配線から構成されており、以下、図面を用いて実施例を説明する。

まず、本実施例のフレキシブルシート状電池について説明する。
フレキシブルシート状電池は、電極（正極、負極）、セパレータ、電解液、そして、これらを内包する包装材から構成されている。
電池容量は、電極膜厚に比例するが、所定の日数だけ連続稼働ができる電池寿命を確保した上で、衣類などに貼付しやすく、しかも、違和感を与えないようにする必要がある。
一方、後述するように、フレキシブルシート状電池の表面には、必要な送受信性能を発揮する大きさのアンテナを形成することができ、しかも、人体による減衰を低減するため、アンテナの周辺にある程度の面積を確保しなければならない。
このような観点をバランスさせて、フレキシブルシート状電池の形状、縦、横、厚さを選定する。

こうしたフレキシブルシート状電池の一例は、図１の表に示すとおりである。
このフレキシブルシート状電池によれば、受信半径１０ｍとして、おおよそ４５日にわたり、後述するチップにより、位置検出の電波の発信が可能となる。
なお、フレキシブルシート状電池としては、充電可能な二次電池を含め、種々のものを採用することができ、要は、十分なフレキシブル性と、位置検知装置として使用するための十分な電池容量を有するものであればよい。
なお、フレキシブルシート状電池の包装材としては、例示されている樹脂ラミネートアルミパックのほか、所要のフレキシブル性と電波反射特性を備えているものであれば、他の包装材を使用してもよい。

次に、位置検出用電波を送受信するチップについて説明する。
こうしたチップとして、ＢＬＥ（Bluetooth（登録商標）Low Energy）モジュールは縦横数ｍｍ程度と小型であり、電波法上利用しやすい２.４５ＧＨｚという帯域の電波を送信することから、本実施例では、位置検出用電波を送受信するチップとして採用している。
しかし、フレキシブルシート状電池への搭載性に優れ、柔軟性を大きく損なわないものであれば他のモジュールを採用してもよい。
なお、ＢＬＥモジュールを、フレキシブルシート状電池に搭載する際は、電極パッドの位置に合わせて、導電性接着剤や、低融点合金含有のソルダーペーストをフレキシブルシート状電池の包装材表面に印刷し、ＢＬＥモジュールを装着後、１５０℃程度に加熱し、電気的に接合してもよいし、異方導電性フィルム等を用い加熱圧着を行ってもよい。
その際、導電性接着剤やソルダーペーストはある程度粘着性を備えているため、仮固定することも可能である。

アンテナは、フレキシブルシート状電池の包装材表面に機能性インクを用いて印刷したもので、送信性能に加え、フレキシブル性、折り曲げ耐久性、フレキシブルシート状電池への実装性、低コスト性などが要求される。
そこで、本実施例では、柔軟で十分な機械的強度を有する導電ペーストとして、大研化学製 ＣＡ−Ｔ３１を採用し、位置検出用電波を送受信するチップの搭載に先立って、スクリーン印刷によりフレキシブルシート状電池の包装材表面に予めアンテナを形成する。

その際、導電性ペーストを低抵抗化することで、アンテナの送受信性能を高めることができるので、導電ペースト中のバインダ樹脂を減らし、金属微粒子の濃度を高めることが好ましい。
ただし、バインダ樹脂を減らすと機械的強度が低減するため、必要な送受信性能、アンテナの面積、強度をバランスさせて、バインダ樹脂の配合や層の厚さを決定する。本実施例の場合、大研化学製 ＣＡ−Ｔ３１の層の厚さはおおよそ１０μ程度とした。
なお、スクリーン印刷に代えてインクジェット印刷を採用すると、パターン精度がやや改善するものの、コストが比較的高くなる傾向がある。
また、十分な送受信性能、機械的強度、柔軟性を有するものであれば、金属箔、導電性テープ等を包装材表面に貼付することによりアンテナを形成してもよい。

図２に実際に導電性ペーストで印刷したアンテナのパターン例を示す。２.４ＧＨｚ付近で十分なアンテナ機能を発揮させるため、長さ（ｍｍ）を調整している。また、複数のアンテナ幅（横方向）を有するアンテナを設計することで、放射可能な周波数帯を拡張することができ、屈曲に対してより安定的な放射特性を得ることが可能となる。

本実施例では、こうした印刷アンテナとフレキシブルシート状電池の電極、そして印刷アンテナとＢＬＥモジュールとの電気的な接続を、柔軟な特性を有するＭ導電性接着材テープ９７０３（異方導電性）により行った。なお、アンテナと同様、バインダ樹脂の配合や層の厚さを選定することにより、導電ペーストにより電気的な接続を行ってもよい。

図３に基づいて、フレキシブルシート状電池におけるアンテナの配置について説明する。
後述するように、フレキシブルシート状電池の包装材として用いる樹脂ラミネートアルミパック１は、プリンタされたアンテナ２を介してＢＬＥモジュールから発信される電波を反射する特性を有している。
このため、図３右側のように、フレキシブルシート状電池がアンテナ２の形成領域と同程度の大きさの場合や、アンテナ２をフレキシブルシート状電池の包装材の端部に配置すると、電波の一部が人体と干渉して減衰するため、シールド特性が悪化する。また、人体に装着した際、フレキシブルシート状電池の屈曲が大きい箇所では、アンテナ用印刷配線が断裂する可能もある。

そこで、図３左側のように、フレキシブルシート状電池の面積を十分広くして、アンテナをその中央部に配置することが好ましい。
また、人体への装着性に関わるフレキシブル性と、人体での電波減衰、シールド特性のバランスの観点から、アンテナとデバイスの各辺の長さの比は、１.５：２.０〜１.５：１５程度が望ましい。厚みは０.２〜２.０ｍｍ程度である。
本実施例の場合、アンテナを一辺１５ｍｍの正方形内に形成し、フレキシブルシート状電池は、人体への装着性も加味して、縦、横２〜１５ｃｍ程度とした。

アンテナ、配線を形成する面をフレキシブルシート状電池包装材の表面とした場合、裏面には、衣服との接合性、耐候性・耐熱性・耐水性・柔軟性の高い粘着材を用いることで、電池包材と布地を強力に接着するとともに、全体を極薄・柔軟な封止フィルムで被覆することにより全体の柔軟性を保持することが好ましい。
本実施例では発明では衣服との接合部として、日東電工製強力両面粘着材 Hyperjoint（登録商標）、封止フィルムとして３Ｍ社製柔軟フィルム テガダーム（登録商標）を用いた。

また、前述のように、ＢＬＥモジュールはチップ形態であり、フレキシブル性が低いため、人体に装着した際のフレキシブルシート状電池の屈曲により、接合部分が剥離する可能性がある。
そのため、１辺が３５ｍｍの平方形としたフレキシブルシート状電池で、外周部分に大きな曲げが発生する場合には、ＢＬＥモジュールは外周から５ｍｍ以上離れた円周内に装着し、アンテナについても、外周から５ｍｍ以上離れた箇所に形成するのが好ましい。
実際に製作した位置検知装置を図４に示す。３はＢＬＥモジュール、４はＭ導電性接着材テープ９７０３により形成した配線、５はフレキシブルシート状電池の陽極、６はフレキシブルシート状電池の陰極である。なお、樹脂ラミネートアルミパック１の厚さは、１１３μとした。

ここで、フレキシブルシート状電池として、図１のものを採用し、アンテナ、配線を形成する面を表面とし、裏面が人体側となる事を想定した時のアンテナ２の電波シールド性について、検証結果を図５に示す。
比較対象としては、単純にＰＥＴフィルム上にアンテナを形成し、フィルム背面に導電性インクをベタ塗り（１００μ厚）したものとし、横軸はピーク周波数で規格化している。実施例ではアンテナからの反射が小さくなっており、アンテナの背面の構造体を改善したことによって、人体との干渉が抑制されているため、外部により多くの電波を放射できていることが分かる。

以上説明したように本発明によれば、位置検知装置の小型軽量化、衣服に装着できるフレキシブル性、耐折り曲げ特性を確保するとともに、優れた送受信特性を実現できるので、認知症高齢者や幼児の見守りシステムに広く採用されることが期待できる。

１・・・樹脂ラミネートアルミパック
２・・・アンテナ
３・・・ＢＬＥモジュール
４・・・配線
５・・・フレキシブルシート状電池の陽極
６・・・フレキシブルシート状電池の陰極

Claims (4)

1. 電波反射特性を有する包装材により被覆されたフレキシブルシート状電池を基板として、包装材表面に送信用チップを実装し、
   前記包装材表面の内方において屈曲性を有するアンテナを形成し、
   前記フレキシブルシート状電池の電極と前記送信用チップ、及び、前記送信用チップと前記アンテナを、屈曲性を有する配線により電気的に接続し、
   前記包装材の裏面を人体側装着面としたことを特徴とする位置検知装置。
2. 前記包装材が樹脂ラミネートアルミパックであることを特徴とする請求項１に記載された位置検知装置。
3. 前記アンテナが、前記包装材の表面にプリントされた導電性ペーストであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された位置検知装置。
4. 電気配線が導電性接着材テープであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載された位置検知装置。
   

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